Все потери энергии при работе дизельного двигателя можно разделить на две большие группы: механические потери и тепловые потери.
К механическим потерям в дизельных двигателях относят:
- потери мощности на трение NTP – составляют большую часть механических потерь. Эти потери вызываются трением во всех сопряженных парах деталей, главными из которых являются поршень с поршневыми кольцами и стенки цилиндра, трение в подшипниках коленчатого вала. К возрастанию механических потерь приводят: увеличение газовых сил с повышением нагрузки; инерционных сил с повышением частоты вращения; ухудшение обработки поверхностей деталей; нарушения в работе систем смазки и охлаждения;
- потери мощности на совершение насосных ходов поршня N НАС – определяются сопротивлениями впускных и выпускных клапанов. В двухтактных дизелях с щелевой бесклапанной схемой продувки эти потери отсутствуют;
- потери мощности на привод вспомогательных механизмов N ВМ –обычно включают затраты мощности на привод агрегатов, без которых невозможна нормальная работа двигателя: водяной, масляный, топливный насосы; регулятор частоты вращения; механизм газораспределения и т.д. Эти потери зависят от конструктивного исполнения ВМ, их совершенства, размеров и технического состояния;
- потери мощности на вентиляцию N ВЕНТ – учитывают затраты на преодоление трения между движущимися деталями (поршнем, шатунами, коленчатым валом) и воздухом;
- потери мощности на механический привод компрессора N К – присутствуют только в двигателях с подключенными турбокомпрессорами, приводимыми во вращение от коленчатого вала самого дизеля. Эти потери зависят от размеров и типа компрессора.
В общем случае механические потери представляют собой сумму:
К тепловым потерям в дизельных двигателях относят:
- теплоту, отводимую в охлаждающую среду–Q ОХЛ. Эта потеря состоит из суммы теплоты, отводимой в воду – Q В, и в смазочное масло–Q М. Q В и Q М зависят, в свою очередь, от разности температур масла и воды на входе – 1 t в двигатель и на выходе – 2 t из двигателя, теплоемкости жидкостей (масла – СМ , и воды – СВ ), и расхода охлаждающих сред- GМ и GВ:
Теплота, отводимая в охлаждающую среду, состоит их теплоты, отданной рабочим телом, и теплоты, эквивалентной работе трения. Теплота, израсходованная на потери трения, переходит в основном в охлаждающую жидкость: теплота трения поршня о цилиндр – в охлаждающую воду, а теплота трения подшипников – в смазочное масло. Теплоту трения не включают в тепловой баланс дизеля, кроме доли теплоты трения, не перешедшей в охлаждающую среду (учитывается остаточным членом баланса).
- теплоту с уходящими газами – QГ . Эта потеря определяется как разность энтальпий уходящих из двигателя выхлопных газов и поступающего в цилиндр свежего заряда воздуха:
где:
- - GГ, GB – часовой расход выхлопных газов и воздуха;
- - CрГ, СрВ – изобарная теплоемкость выхлопных газов и воздуха;
- - TЗТ – температура газов за турбиной (при турбонаддуве);
- - Тв – температура воздуха на входе в цилиндр.
- неучтенные потери QНП – в эту группу относят следующие виды потерь:
- - Q Л – теплоту лучеиспускания в окружающую среду (потеря теплоты через стенки двигателя);
- - QН. СГ – теплоту, эквивалентную неполному сгоранию топлива (химический недожог топлива);
- - Q УТ – унос топлива в капельно-жидком состоянии с уходящими газами (механический недожог топлива);
- - QК. ЭН – теплоту кинетической энергии выхлопных газов.
Тепловым балансом двигателя называется распределение затраченной теплоты на полезную работу и различного рода потери. В общем виде уравнение теплового баланса дизельного двигателя имеет вид:
Дизели относятся к числу наиболее экономичных двигателей. КПД лучших образцов достигает 50 ÷ 51 %, однако и в дизелях теряется значительное количество тепловой энергии: 30 ÷ 40 % – с выхлопными газами, и 10 ÷ 20 % – с охлаждающими средами (с водой и маслом).
Потоки теплоты в ДЭУ (дизельная энергетическая установка) имеют сложный характер, обусловленный наличием нескольких видов энергии: химической энергии топлива; механической энергии, выработанной двигателем; электрической энергии, полученной во вспомогательных двигателях; тепловой энергии в виде пара, горячей воды, выхлопных газов, нагретого масла; потенциальной энергии сжатого в компрессоре воздуха и т.д.
- QT– теплота, эквивалентная химической энергии сгорания топлива;
- Qi– теплота, эквивалентная индикаторной работе;
- Qe – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;
- Потери теплоты: QОХЛ – с охлаждающей средой; QГ– с уходящими (выхлопными) газами;
- QНП – неучтенные потери; QСТ – в стенки двигателя;
- QВ.П. – полные потери газа в выпускном патрубке;
- QМЕХ – механические потери; QТР – на трение поршня и колец;
- QН.СГ – от неполного сгорания топлива;
- QК.ЭН – с кинетической энергией газов;
- QЛ – с лучеиспусканием;
- QКОЛ – в охлаждающую среду из выпускного коллектора.
Графически уравнение теплового баланса и распределение потоков тепла, полученного в двигателе, можно изобразить на диаграмме теплового баланса двигателя. На рис. 26 изображена диаграмма теплового баланса для дизельного двигателя без наддува и утилизации теплоты.
Примерные значения эффективной работы и потерь энергии для различных типов современных дизельных двигателей сведены в таблицу:
Литература
Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]
